鎳及鎳基合金焊材選用

1、鎳及鎳基合金焊材選用鎳是一種用途廣泛的重要有色金屬，具有熔點(diǎn)高、耐腐蝕性好、力學(xué)性能優(yōu)良等特性。鎳基合金是含鎳量大于50%并含有多良其他元素的合金，鎳基比鐵基能固熔更多的合金元素，所以鎳基合金不但保持了鎳的良好特性，有兼有合金化組分的良好特性，既可耐高溫，又可耐腐蝕。工程上將其分為兩大合金類型，即耐熱用鎳基合金(有稱高溫合金)和耐腐蝕用鎳基合金。前者主要用于航空、航天等高溫工作構(gòu)件；后者則用于化學(xué)、石油、核工業(yè)等苛刻腐蝕環(huán)境。銀基高溫合金：它是以鎳、鉻固熔體為基體并天家多種合金元素進(jìn)行固熔強(qiáng)化而得到的合金。焊接結(jié)構(gòu)常用的鎳基高溫合金的強(qiáng)化機(jī)制分為固熔強(qiáng)化和時(shí)效沉淀強(qiáng)化兩大類。固熔強(qiáng)化是加入Cr

2、、Co、W、Mo、Nb、Ta等元素，以提高原子間結(jié)合力，產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高再結(jié)晶度等來(lái)強(qiáng)化固熔體。這類合金具有優(yōu)良的抗氧化性，塑性較高，易于焊接，但熱強(qiáng)性相對(duì)較低。時(shí)效強(qiáng)化是在固熔強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，天家較多的Al、Ti、Nb、Ta等元素，他們與鎳結(jié)合成共格穩(wěn)定、成分復(fù)雜的金屬間化合物，使合金的熱強(qiáng)性大大提高。但是，Al、Ti、Nb等元素的加入使焊接性變差，故這類元素的加入總量宜限制在6%以下。固熔強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化的形變鎳基高溫合金牌號(hào)有30個(gè)左右，如GH3030(Ni-20Cr-0.25Ti)、GH4033(Ni-20Cr-2.5Ti-0.8Al)等。焊接時(shí)有可能產(chǎn)生凝固、液化裂紋或應(yīng)

3、變時(shí)效裂紋，Al、Ti等時(shí)效強(qiáng)化元素越多，裂紋敏感性越大。銀基耐蝕合金：為提高鎳基耐蝕合金的耐腐蝕性能，也加入松、W、Mo等合金元素；且要求碳量越低越好；Ti、Nb等含量較低，主要作用是抑制碳的有害影響，以提高耐腐蝕性能，這均是與高溫合金的重要區(qū)別。我國(guó)的耐腐蝕合金牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)GB/T15007-1994。鎳基耐腐蝕合金也有固熔和沉淀兩種強(qiáng)化方式，但成分類型與鎳基高溫合金不同，有如下幾種類型；Ni系，近于純鎳，如Ni200等；Ni-Cu系，如蒙乃爾(monel)400(66Ni31Cu);Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系，如因康鎳(Inconel)600(76Ni15Cr8Fe)、因康鎳718(

4、53Ni19Cr3Mo5Nb18Fe);Ni-Fe-Cr系，如因康洛依(Incoloy)800(32Ni46Fe21Cr);Ni-Mo系和Ni-Cr-Mo系，如哈斯特洛依(Hastelloy)C(64Ni16Cr16Mo4W);Ni-Cr-Mo-Cu系，含Cu在3%以上。鎳基耐蝕合金在焊接時(shí)可能產(chǎn)生熱裂紋、焊縫氣孔等問(wèn)題，有的合金烈性(如Ni-Cr、Ni-Mo、Ni-Cr-Mo系)焊接接頭還存在晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。鎳基合金具有耐活潑性氣體、耐苛性介質(zhì)、耐還原性酸介質(zhì)腐蝕的良好性能，又經(jīng)驗(yàn)有強(qiáng)度高、塑性好、可冷熱變形和加工成型及可焊接的特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、原子能、海洋開(kāi)發(fā)、

5、航空、航天等工業(yè)中，解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無(wú)法解決的工程腐蝕問(wèn)題，是一類非常重要的耐腐蝕金屬材料。鎳基及鐵鎳基耐腐蝕合金的化學(xué)成分列于表1，哈氏系列耐腐蝕合金化學(xué)成分典型值列于表2。1/8鎳及鎳基合金焊材選用鎳及鎳基合金焊材選用 /8于奧氏體不銹鋼與碳鋼之間（哈氏合金除外），故很適于作這兩類異種材質(zhì)的焊接材料；除純鎳系外，其他鎳基合金的熱導(dǎo)率比碳鋼低得多，其電阻卻比碳鋼高得多，這一點(diǎn)直接影響到鎳基合金的焊接性及焊接規(guī)范的選擇。在焊接熱循環(huán)的作用下，鎳幾合金的熱影響區(qū)發(fā)生組織變化，如晶界析出碳化物、晶粒長(zhǎng)大、脆性相析出等，這些都對(duì)耐蝕性有嚴(yán)重影響。Ni-Cr、Ni-Mo和Ni-Cr

6、-Mo系合金都存在敏化區(qū)。在Ni-Cr系合金中，碳的固熔度是很低的，只要碳含量超過(guò)其固熔度，在熱影響區(qū)的敏化溫度內(nèi)就有碳化物析出的可能，導(dǎo)致晶界出現(xiàn)貧鉻，相應(yīng)發(fā)生晶間腐蝕。碳含量越低，鉻含量越高，晶間腐蝕敏感性越小。自熔焊或與母材同質(zhì)的填充焊縫金屬耐腐蝕性能不如母材。雖然與母材有相同的化學(xué)成分，但作為一種鑄造的金屬組織，焊縫熔敷金屬的耐腐蝕能力往往低于母材，這是由于焊縫熔敷金屬在凝固時(shí)合金元素的偏析造成的。焊縫是一種小的鑄造結(jié)果，因沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工變形，存在粗大的有害的樹(shù)枝晶，在樹(shù)枝晶有元素的微觀偏析，這種偏析在熔焊中是不可避免的。合金元素的熔點(diǎn)不同，熔點(diǎn)高的M。、W先于熔點(diǎn)低的Ni、Cr凝固。在

7、焊接條件下熔池快速凝固、焊縫快速冷卻，焊縫熔敷金屬中出現(xiàn)合金元素呈梯度分布，即成分不均勻，因而，耐腐蝕能力也就不均勻，合金元素低的部分將先腐蝕。在多數(shù)情況下，對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行焊后熱處理或冷加工后退火，以恢復(fù)組織性能是不現(xiàn)實(shí)的。消除偏析影響的最佳方式是采用高合金化的焊接材料，如用Inconel622或Inconel625焊接含M。的奧氏體不銹鋼（316、317）或高級(jí)奧氏體不銹鋼Inconel25-6Mo或合金化程度較低的鎳基合金Incoloy825、Incoloy20或InconelG-3等。用合金化程度最高的INCO-WELD686GPT焊接Inconel622、C-276,Hastelloy

8、C-22、C-2000、VDM59等。哈氏合金用焊材的選擇列于表5。表5哈氏合金用焊材的選擇哈氏合金焊絲(AWSA5.14)焊條(AWSA5.11)HastelloyCERNiCrMo-1ERNiCrMo-1HastelloyC-276ERNiCrMo-4ERNiCrMo-4HastelloyC-4ERNiCrMo-7ERNiCrMo-7HastelloyC-22ERNiCrMo-10ERNiCrMo-10HastelloyC-2000ERNiCrMo-17ERNiCrMo-17Haynes625ERNiCrMo-3ERNiCrMo-BNicrofer5923hMo.A110y59ERNiCr

9、Mo-13ERNiCrMo-13InconelAlloy686ERNiCrMo-14ERNiCrMo-14鎳及鎳基合金焊條主要根據(jù)母材的合金類別、化學(xué)成分和使用環(huán)境等條件選用。需要考慮的因素有：物理性能，線脹系數(shù)和熱導(dǎo)率（或磁性的匹配）；力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度或蠕變強(qiáng)度等；防腐性能，對(duì)電化學(xué)腐蝕及孔隙腐蝕的抵抗力；冶金學(xué)中的兼容和協(xié)調(diào)性（匹配性能）、可熔性及抗熱裂紋的能力等。一般說(shuō)來(lái)，焊條的主要成分和母材的主要成分應(yīng)盡量接近，以保證各項(xiàng)性能與母材相當(dāng)。但考慮到焊條的特殊要求，還應(yīng)加入一些母材中沒(méi)有或含量較低的元素，如Nb、Ti、Mo、Mn等。同類焊條達(dá)不到要求或沒(méi)有類似成分的焊

10、條時(shí)，一般選用高一檔次的旱田。其中焊接鐵鎳合金時(shí)（如Incoloy800H）,可選用銀基合金焊條（如EniCrMo-3）。這樣，焊條的成本歲高些，但能保證焊縫的使用性能不低于母材。鎳和鎳合金的焊接工藝及焊接坡口尺寸可參照鎳鉻奧氏體鋼的焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，但焊接時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：鎳及鎳合金的導(dǎo)熱性差，焊接時(shí)容易過(guò)熱引起晶粒長(zhǎng)大，焊接時(shí)不需要預(yù)熱，應(yīng)選用較小的電流，焊條不宜擺動(dòng)過(guò)大，收弧時(shí)應(yīng)注意添滿弧坑，保持較低的道間溫度，一般控制在150以下。鎳非常容易被硫、鉛脆化，形成熱裂紋，所以，必須嚴(yán)格控制焊條的硫、鉛等雜質(zhì)含量，焊前應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真清理，去除母材表面的氧化物及油污、油漆灰塵等臟物。鎳及鎳合金焊接時(shí)氣

11、孔敏感性強(qiáng)，焊條中含有適量的鋁、鈦、錳、鎂等脫氧劑，操作時(shí)應(yīng)注意控制弧長(zhǎng)，以短弧施焊。熔融金屬具有高的粘稠度，流動(dòng)緩慢且熔深淺。這些不能簡(jiǎn)單地依靠增大焊接電流來(lái)解決，可適當(dāng)擺動(dòng)焊條，但擺幅不宜超過(guò)焊條直徑的3倍，在焊道兩側(cè)的停留時(shí)間稍長(zhǎng)，以避免咬邊及夾渣，且坡口角度宜從一般的600增加到700-800。由于鎳基合金的金相組織都是純奧氏體，很容易產(chǎn)生熱裂紋，因此角焊縫必須焊成凸形，而凹形焊道容易開(kāi)列，這一點(diǎn)與其他種類的焊條不同。由于鎳基合金價(jià)格昂貴，使用受到限制，國(guó)內(nèi)焊材廠生產(chǎn)的品種也較少，故在此列出國(guó)外有關(guān)廠商的鎳基合金焊條、焊絲及藥芯焊絲的牌號(hào)對(duì)照（見(jiàn)表6表8），供參考。鎳基合金焊條的選擇可

12、參照表9，鎳基合金焊絲的選擇可參照表10。表6國(guó)外鎳合金焊條牌號(hào)對(duì)表AWSA5.11合金類型德國(guó)(UTP)美國(guó)(Oxford)美國(guó)(SMC)英國(guó)(Metrode)美國(guó)(Arcos)美國(guó)(Techalloy)德國(guó)(Thyssen)中國(guó)（錦泰）ENi-1NiTi3Alloy141Nickel141Nimrod200TiTECH-ROD141JNi-96ENiCu-7NiCu30Mn80MAlloy190Monel190Nimrod190Arcos9N10TECH-ROD190JNi-60-7EcuNiCu70Ni30387Alloy187Monel187CuprometN30Arcos803TEC

13、H-ROD187ENiCrFe-1NiCr15Fe10Nb3Alloy132Nimrod132KSJNi-70AENiCrFe-2NiCr16Fe12NbMo7015MoAlloyAINCO-WELDANimrodAKS/ABNimaxAArcos4N1ATECH-RODWeldAJNi-70BENiCrFe-3NiCr20Mn3Nb/NiCr15Fe6Mn7068HH/7015Alloy182Inconel182Nimrod182/182KSNimax182Arcos8N12TECH-ROD182Nicro82/182JNi-70CENiCrFe-4NiCr15Mo3Fe7Nb7017MoE

14、NiCrFe-7NiCr29Fe9Nb6230MnInconel152Nimrod690KSArcos352690ENiMo-3NiCr22Mo9Nb6222MoENiMo-7NiMo28703KbAlloyB-2NimaxB2LENiMo-10NiMo30Cr2Fe2AlloyB-3ENiCrCoMo-1NiCr21Co12Mo6170co,6122COAlloy117Alloy117Inconel117Nimrod617KSArcos617TECH-ROD117617ENiCrMo-2NiCr22Mo9Fe18WAlloyXENiCrMo-3NiCr20Mo9Nb6222MoAlloy11

15、2Inconel112Nimrod625/625KSArcos1N12TECH-ROD112625JNi-60-3ENiCrMo-4NiCr15Mo15Fe6W4776KbAlloyC-276INCO-WELDC-276NimrodC276/C276KSArcosC-276TECH-ROD276NimoC276JNi-60-4ENiCrMo-5NiCr15Mo16Fe5W4AlloyCNimrodCENiCrMo-6NiCr15Mo8Fe16WNb7013MoAlloyNi-9NimrodNCM613/65TTW150ENiCrMo-7NiCr16Mo15Ti704KbAlloyC-4Nimr

16、odNC19MoNimrodC4KSNimoC/CWENiCrMo-10NiCr21Mo13W3722KbAlloy112Inconel122NimrodC22KSArcosC22TECH-ROD22ENiCrMo-11NiCr30Mo5W3NbAlloyG-30Nimrod59KSENiCrMo-12NiCr21Mo9NbAlloyP-12ENiCrMo-13NiCr23Mo16759KbAlloy59ArcosAlloy59ENiCrMo-14NiCr21Mo16W4INCO-WELD686CPTNimoC24高溫合金NiCr25Fe30Mo4255Cr21Ni33Mn4Nb2133MnThermet800NbCr25Ni35Nb2535NbThermet25.35Nb/HP40NbCr30Ni33W43033WCr35Ni45Nb(C0.45)3545NbThermet35.45NbCr25Ni49W42949WAlloy22HNiCr25Fe10AlTiZr6225AlCr25Ni35Co15W5ThermetHP50WcoENiCr-4NiCr50Nb5048NbNimrod